Μια τεχνική για την αντιμετώπιση μεμονωμένων ηλεκτρονικών και πυρηνικών περιστροφών σε κρύσταλλο διαμαντιού αναπτύχθηκε από ερευνητές στην Ιαπωνία. Το σχέδιο συνδυάζει οπτικές και μικροκυματικές διεργασίες και θα μπορούσε να οδηγήσει στη δημιουργία συστημάτων μεγάλης κλίμακας για την αποθήκευση και την επεξεργασία κβαντικών πληροφοριών.
Οι ηλεκτρονικές και πυρηνικές περιστροφές σε ορισμένους κρυστάλλους στερεάς κατάστασης είναι πολλά υποσχόμενες πλατφόρμες για μεγάλης κλίμακας κβαντικούς υπολογιστές και μνήμες. Αυτές οι περιστροφές αλληλεπιδρούν ασθενώς με το τοπικό τους περιβάλλον σε θερμοκρασία δωματίου, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούν να λειτουργήσουν ως κβαντικά bit (qubits) που αποθηκεύουν κβαντικές πληροφορίες για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα. Επιπλέον, τέτοιες περιστροφές μπορούν να ελεγχθούν χωρίς σημαντικές απώλειες. Συνήθως, οι περιστροφές ανταποκρίνονται τόσο στο οπτικό φως όσο και στα μικροκύματα. Το οπτικό φως είναι καλό για χωρική ακρίβεια στην αντιμετώπιση μεμονωμένων περιστροφών λόγω των μικρότερων μηκών κύματός του. Τα μακρύτερα μικροκύματα, από την άλλη πλευρά, παρέχουν έλεγχο υψηλότερης πιστότητας όλων των περιστροφών σε έναν κρύσταλλο με το κόστος της μη χωρικής ανάλυσης.
Τώρα, Hideo Kosaka και οι συνάδελφοί του στο Εθνικό Πανεπιστήμιο της Γιοκοχάμα στην Ιαπωνία έχουν αναπτύξει έναν τρόπο αντιμετώπισης μεμονωμένων περιστροφών που συνδυάζει τα δυνατά σημεία τόσο του οπτικού ελέγχου όσο και του ελέγχου μικροκυμάτων. Χρησιμοποίησαν μικροκύματα για να ελέγξουν μεμονωμένες περιστροφές σε διαμάντια, «φωτίζοντας» με ακρίβεια χρησιμοποιώντας οπτικό φως. Έδειξαν λειτουργίες επιλεκτικής τοποθεσίας για επεξεργασία πληροφοριών και δημιούργησαν εμπλοκή μεταξύ ηλεκτρονικών και πυρηνικών περιστροφών για τη μεταφορά πληροφοριών.
Επικεντρώνεται η Diamond NV
Για τις περιστροφές της, η ομάδα χρησιμοποίησε κέντρα κενού αζώτου (NV) σε έναν κρύσταλλο διαμαντιού. Αυτά συμβαίνουν όταν δύο γειτονικά άτομα άνθρακα σε ένα πλέγμα διαμαντιών αντικαθίστανται από ένα άτομο αζώτου και μια κενή θέση. Η βασική κατάσταση ενός κέντρου NV είναι ένα ηλεκτρονικό σύστημα spin-1 που μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως qubit για την κωδικοποίηση πληροφοριών.
Για να εκτελέσει κανείς τον υπολογισμό, πρέπει να είναι σε θέση να αλλάξει την κατάσταση περιστροφής των qubits με ελεγχόμενο τρόπο. Για ένα μόνο qubit, αρκεί να έχουμε ένα σύνολο τεσσάρων βασικών πράξεων για να γίνει αυτό. Αυτές είναι η λειτουργία ταυτότητας και οι πύλες Pauli X, Y, Z, οι οποίες περιστρέφουν την κατάσταση γύρω από τους τρεις άξονες της σφαίρας Bloch.
Καθολικές ολονομικές πύλες
Αυτές οι λειτουργίες μπορούν να υλοποιηθούν χρησιμοποιώντας τη δυναμική εξέλιξη, όπου ένα σύστημα δύο επιπέδων οδηγείται από ένα πεδίο σε συντονισμό ή κοντά με τη μετάβαση για «περιστροφή» του qubit στην επιθυμητή κατάσταση. Ένας άλλος τρόπος είναι η υλοποίηση μιας ολονομικής πύλης, όπου η φάση μιας κατάστασης σε μεγαλύτερη βάση αλλάζει έτσι ώστε να έχει την επίδραση της επιθυμητής πύλης στον υποχώρο qubit δύο επιπέδων. Σε σύγκριση με τη δυναμική εξέλιξη, αυτή η μέθοδος θεωρείται πιο ισχυρή στους μηχανισμούς αποσυνοχής επειδή η φάση που αποκτάται δεν εξαρτάται από την ακριβή διαδρομή εξέλιξης της μεγαλύτερης κατάστασης.
Σε αυτήν την τελευταία έρευνα, ο Kosaka και οι συνεργάτες του καταδεικνύουν πρώτα την επιλεκτικότητα της τεχνικής τους εστιάζοντας ένα λέιζερ σε ένα συγκεκριμένο κέντρο NV. Αυτό αλλάζει τη συχνότητα μετάβασης σε αυτή τη θέση έτσι ώστε καμία άλλη τοποθεσία να μην ανταποκρίνεται όταν ολόκληρο το σύστημα οδηγείται από μικροκύματα στη σωστή συχνότητα. Χρησιμοποιώντας αυτή την τεχνική, η ομάδα μπόρεσε να επισημάνει περιοχές με διάμετρο μερικές εκατοντάδες νανόμετρα, αντί για τις πολύ μεγαλύτερες περιοχές που φωτίζονταν από τα μικροκύματα.
Επιλέγοντας τοποθεσίες με αυτόν τον τρόπο, οι ερευνητές έδειξαν ότι μπορούσαν να εφαρμόσουν τις λειτουργίες ολονομικής πύλης Pauli-X, Y και Z με καλή πιστότητα (μεγαλύτερη από 90%). Η πιστότητα πύλης είναι ένα μέτρο του πόσο κοντά είναι η απόδοση της εφαρμοσμένης πύλης σε μια ιδανική πύλη. Χρησιμοποιούν έναν παλμό μικροκυμάτων που ανατρέπει τη φάση του στο ενδιάμεσο, γεγονός που καθιστά τα πρωτόκολλα ανθεκτικά σε ανομοιομορφίες στην ισχύ. Δείχνουν επίσης ότι ένας χρόνος συνοχής περιστροφής περίπου 3 ms διατηρείται ακόμα και μετά από λειτουργίες πύλης που απαιτούν συγκρίσιμο χρόνο.
Κβαντικές μνήμες και δίκτυα
Εκτός από τις καταστάσεις ηλεκτρονικής περιστροφής, ένα κέντρο NV έχει επίσης προσβάσιμες καταστάσεις πυρηνικής περιστροφής που σχετίζονται με τον πυρήνα του αζώτου. Ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου, αυτές οι καταστάσεις είναι εξαιρετικά μακροχρόνιες λόγω της απομόνωσής τους από το περιβάλλον. Ως αποτέλεσμα, οι καταστάσεις πυρηνικού σπιν του κέντρου NV μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως κβαντικές μνήμες για αποθήκευση κβαντικών πληροφοριών για μεγάλο χρονικό διάστημα. Αυτό είναι σε αντίθεση με τα qubits που βασίζονται σε υπεραγώγιμα κυκλώματα, τα οποία πρέπει να βρίσκονται σε θερμοκρασίες κάτω του millikelvin για να υπερνικήσουν τον θερμικό θόρυβο και είναι πιο ευαίσθητα στην αποσυνοχή που προκαλείται από αλληλεπιδράσεις με το περιβάλλον.
Ο αισθητήρας διαμαντιού υψηλής ανάλυσης χαρτογραφεί τα ηλεκτρικά ρεύματα στην καρδιά
Ο Kosaka και οι συνεργάτες του κατάφεραν επίσης να δημιουργήσουν εμπλοκή μεταξύ ενός ηλεκτρονικού σπιν και ενός πυρηνικού σπιν στο κέντρο NV. Αυτό επιτρέπει τη μεταφορά κβαντικών πληροφοριών από ένα προσπίπτον φωτόνιο στο ηλεκτρονικό σπιν του κέντρου NV και στη συνέχεια στην κβαντική μνήμη πυρηνικού σπιν. Μια τέτοια ικανότητα είναι κρίσιμη για την κατανεμημένη επεξεργασία όπου τα φωτόνια μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μεταφορά πληροφοριών μεταξύ qubits στο ίδιο ή διαφορετικά συστήματα σε ένα κβαντικό δίκτυο.
Γράφοντας Nature Photonics, οι ερευνητές λένε ότι με τροποποιήσεις στη διαδικασία οπτικής διεύθυνσής τους, θα πρέπει να είναι δυνατό να βελτιωθεί η χωρική του ανάλυση και επίσης να χρησιμοποιηθούν συνεκτικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ πολλαπλών κέντρων NV. Ο συνδυασμός μερικών διαφορετικών τεχνικών θα μπορούσε να επιτρέψει την «επιλεκτική πρόσβαση σε περισσότερα από 10,000 qubits σε 10×10×10 μm3 όγκου, ανοίγοντας το δρόμο για μεγάλης κλίμακας κβαντική αποθήκευση». Ο Kosaka λέει ότι η ομάδα του εργάζεται τώρα για το δύσκολο έργο της κατασκευής δύο πυλών qubit χρησιμοποιώντας δύο κοντινά κέντρα NV.
